表面疏水型微通道反应器内气液两相流动特性与气液传质的实验研究及数值模拟

针对表面亲水型微通道反应器与表面疏水型微通道反应器内的气液两相体系，实验系统地测定两种通道内气液两相流动的流型、流速、气相分散状况和气泡尺寸等关键流体力学参数，并采用溶氧浓度法测量气液体积传质系数。在实验研究基础上，建立表面疏水型微通道内气液两相流动形态的分类及判别标准，并对气泡产生与气节断裂机理进行探索；同时建立简化的表面疏水型微通道内气液两相流动的数学模型，数值模拟疏水型微通道内气液两相流场，并将模拟结果与实验进行对比。本研究将为费托合成微通道反应器的优化设计和操作调控奠定理论基础。

本项目针对介尺度多相体系流动及传质特性和微通道反应器的优化设计开展化学工程基础研究。在实验方面，借助Digital Video Record（DVR）可视化系统，建立了微通道内气液两相流动型态的分类及判别标准，并考察了通道表面浸润性、通道尺寸以及流体物性对于微通道内多相体系流动形态的影响，建立了包含通道表面浸润性因素在内的微通道内气液两相流动型态转换边界预测新模型。在流型研究的基础上，分别对气相为分散相和气相为连续相两种情况下，根据流型特点提出了微通道内气液两相流动过程中的阻力降和传质特性预测模型，模型之中首次引入了表面浸润性的影响。微通道内微观混合特性的研究，采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系为化学探针,分别考察了反应物浓度、体积流量、通道表面浸润性、入口夹角等条件对微通道内微观混合效率的影响。对于被动式微混合器而言，压力驱动是唯一的动力源，通道的几何构型是强化混合效果的重要因素，在认识微混合过程规律的基础上，开发了一种新型螺旋式微混合器。在数值模拟方面，利用Lattice-Boltzman方法对微通道内单相及油-水不互溶两相流动进行了数值计算，成功模拟预测了T形微通道内油水两相流的五种不同流型，利用低Reynolds数下绕球流动的流场解析解对简单拉伸流场中单个球形粒子的传递过程进行了数值模拟。本项目取得的进展和成果，推进从机理上深入认识微通道内流体流动、传质与混合的机理和基本规律，并开发出新型高效的微型混合器，为实现微反应器的优化设计和操作调控提供理论基础。